復(fù)合地層盾構(gòu)掘進(jìn)隧道地表沉降及支護(hù)受力分析

王雙龍

(中鐵十七局集團(tuán)第六工程有限公司，福建 福州 350014)

復(fù)合地層盾構(gòu)掘進(jìn)隧道地表沉降及支護(hù)受力分析

王雙龍

(中鐵十七局集團(tuán)第六工程有限公司，福建 福州 350014)

以海島復(fù)合地層為典型代表，盾構(gòu)穿越較節(jié)理發(fā)育的全風(fēng)化花崗片麻巖時(shí)，地表以及地層變形難以控制，其施工安全性是需重點(diǎn)解決的問題之一。以廈門地鐵一號(hào)線董任站～集美中心站盾構(gòu)區(qū)間隧道為工程背景，對(duì)盾構(gòu)穿越的典型節(jié)理復(fù)合地層盾構(gòu)開挖進(jìn)行數(shù)值模擬，探明了復(fù)合地層盾構(gòu)施工地表沉降和支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)行為特征的規(guī)律，從而為保證復(fù)合地層盾構(gòu)施工安全提供指導(dǎo)。

復(fù)合地層；盾構(gòu)法；地表沉降；節(jié)理

1 研究的意義

復(fù)合地層盾構(gòu)開挖難度大，地表以及地層變形難以控制，尤其在典型上軟下硬復(fù)合地層中盾構(gòu)穿越節(jié)理較發(fā)育的全風(fēng)化花崗巖地層時(shí)，掌子面穩(wěn)定性分析、地表沉降規(guī)律以及管片力學(xué)特征等問題，均是施工安全性保障中需重點(diǎn)解決的問題。

國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)復(fù)合地層中圍巖穩(wěn)定性分析、地表沉降規(guī)律等展開了研究，并取得了一些成果：如張恒等[1]通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，對(duì)盾構(gòu)影響地表沉降的掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)分析；江帆等[2]研究了盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)上軟下硬土層引起的地表沉降及圍巖穩(wěn)定性的影響。Peck R B[3]基于大量現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)資料，對(duì)地面沉降槽進(jìn)行分析，并提出了地面橫向沉降的估算公式；Mair R J和Taylor R N等[4]基于模型試驗(yàn)，提出粘性土地層中的沉降規(guī)律，并分析了不同埋深下沉降槽寬度系數(shù)。王為樂[5]結(jié)合長(zhǎng)沙地鐵區(qū)間盾構(gòu)隧道工程，研究了不同復(fù)合地層條件下的圍巖和管片變形、受力以及地表沉降。

廈門地鐵一號(hào)線董任站～集美中心站盾構(gòu)區(qū)間隧道，盾構(gòu)穿越節(jié)理發(fā)育的全風(fēng)化花崗片麻巖地層。基于3DEC離散元法，通過對(duì)盾構(gòu)穿越典型節(jié)理發(fā)育地層時(shí)進(jìn)行盾構(gòu)開挖數(shù)值模擬，分析地表沉降規(guī)律、圍巖擾動(dòng)范圍及管片受力特征，從而為該區(qū)復(fù)合地層盾構(gòu)施工提供安全指導(dǎo)。

2 模型建立

2.1 計(jì)算模型的建立與假定

2.1.1 計(jì)算模型的建立

隧道開挖尺寸均為6.29 m，管片外直徑6 m，內(nèi)直徑5.4 m，管片厚度為0.3 m；埋深大致為10～20 m，為避免邊界效應(yīng)，選取左右邊界與隧道邊緣距離約為3D～4D，下邊界與隧道邊緣距離約為3D(D為隧道直徑)。開挖環(huán)數(shù)30環(huán)。計(jì)算模型取50m×40m×45m的長(zhǎng)方體區(qū)，所建模型見圖1。

2.1.2 計(jì)算假定

地層和注漿體模擬均采用實(shí)體單元，采用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則；盾殼、管片采用實(shí)體單元，用彈性材料模擬；開挖步距為l.5m，即一環(huán)管片寬度；模型初始應(yīng)力只考慮自重應(yīng)力場(chǎng)。

2.2 計(jì)算參數(shù)選取

為模擬巖土體不同的性質(zhì)，根據(jù)地質(zhì)勘察資料，對(duì)本區(qū)間典型地層進(jìn)行分層處理，其中賦予每層巖土體相關(guān)土體參數(shù)，如表1所示。本區(qū)間選用管片支護(hù)參數(shù)為C50，抗?jié)B等級(jí)P12，選用HPB300和HRB400鋼筋，管片考慮接頭效應(yīng)，采用等效剛度進(jìn)行模擬。盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，盾構(gòu)管片與土體之間存在縫隙，可以在施工中通過壁后注漿來(lái)填充，將注漿層簡(jiǎn)化成等代層進(jìn)行模擬，而其厚度大多根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)來(lái)選取，根據(jù)張?jiān)芠6-7]提出的方法，選取等代層厚度為0.145 m。

根據(jù)掌子面素描以及《工程地質(zhì)手冊(cè)》，數(shù)值模擬所選取節(jié)理參數(shù)為：所在地層<7Z>強(qiáng)風(fēng)化花崗片麻巖，法向剛度2.1 GPa/m，切向剛度0.3 GPa/m，內(nèi)摩擦角20.5°，粘聚力c0.10MPa，抗拉強(qiáng)度0.05MPa，節(jié)理密度4條/m，節(jié)理角度30°和150°。

圖1 計(jì)算模型圖

表1 地層、管片、等代層計(jì)算參數(shù)表

2.3 計(jì)算模擬方法

盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)，為防止地表沉降，盾構(gòu)機(jī)殼體起剛性支護(hù)作用，為模擬盾構(gòu)機(jī)剛性支護(hù)效果，通過掌子面前4環(huán)管片和等代層賦予盾構(gòu)機(jī)殼體材料參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。為了方便盾構(gòu)動(dòng)態(tài)推進(jìn)的模擬，采用面荷載模擬土倉(cāng)壓力，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)掘進(jìn)參數(shù)，向掌子面施加1.5 bar(1 bar=0.1 MPa)法向力。為了模擬施工中的空間效應(yīng)，采用應(yīng)力釋放或位移釋放進(jìn)行等效處理，在盾尾施加管片時(shí)，進(jìn)行一定計(jì)算步釋放10%圍巖應(yīng)力后，激活管片和等代層參數(shù)。

3 全風(fēng)化—強(qiáng)風(fēng)化花崗片麻巖復(fù)合地層盾構(gòu)施工數(shù)值模擬

選取的典型復(fù)合地層包含5種地層，其地層分布如表2所示。其中，盾構(gòu)穿越節(jié)理較發(fā)育的全風(fēng)化花崗片麻巖地層和強(qiáng)風(fēng)化花崗片麻巖地層(隧道軸線埋深17 m)。

表2 軟巖地層分布監(jiān)測(cè)及隧道埋深表

注：節(jié)理發(fā)育。

3.1 地表沉降分析

盾構(gòu)動(dòng)態(tài)推進(jìn)過程中，刀盤距離監(jiān)測(cè)斷面不同距離時(shí)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降量如表3所示。監(jiān)測(cè)斷面距刀盤為負(fù)值時(shí)，表示刀盤尚未到達(dá)該斷面；反之，表示刀盤已通過該監(jiān)測(cè)斷面。

由圖2、圖3和表3可以看出，盾構(gòu)推進(jìn)過程中，刀盤距監(jiān)測(cè)截面2D左右(D為隧道直徑)時(shí)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)隆起，在通過監(jiān)測(cè)斷面之后，將會(huì)發(fā)生沉降，影響范圍約為2D。隧道中心線正上方監(jiān)測(cè)點(diǎn)CJ1隆起值和沉降值最大，監(jiān)測(cè)點(diǎn)距隧道中心線越遠(yuǎn)，其沉降值和隆起值越小。本區(qū)間沉降警戒值為累計(jì)沉降24mm，累計(jì)隆起8mm，數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果是安全的。

表3 全風(fēng)化—強(qiáng)風(fēng)化花崗片麻巖復(fù)合地層監(jiān)測(cè)點(diǎn)累計(jì)沉降 mm

圖2 刀盤距監(jiān)測(cè)截面不同距離砂—粘土地表沉降云圖

圖3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)縱向沉降曲線

由橫向沉降曲線(見圖4)可知，當(dāng)?shù)侗P在監(jiān)測(cè)斷面前方4.5 m左右時(shí)，地表沉降(隆起)規(guī)律呈正態(tài)分布。通過監(jiān)測(cè)斷面后，地表沉降槽明顯。隧道中心線正上方，即CJ1點(diǎn)處沉降發(fā)展最迅速。盾構(gòu)開挖對(duì)地表沉降影響分布在隧道中心線-15～15 m范圍(約4.8D)。

圖4 監(jiān)測(cè)點(diǎn)橫向沉降曲線

選取全風(fēng)化—強(qiáng)風(fēng)化地層現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)D169-1和D169-2與數(shù)值模擬監(jiān)測(cè)點(diǎn)CJ1結(jié)果(見圖5)進(jìn)行分析對(duì)比，結(jié)果表明，兩者的地表最大隆起值與沉降最大值出現(xiàn)的位置基本一致，規(guī)律曲線也基本吻合。

圖5 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與數(shù)值模擬地表縱向沉降對(duì)比曲線

3.2 圍巖豎向位移分析

由圖6可以看出，盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，在掌子面推力和隧道圍巖應(yīng)力釋放過后，圍巖在支護(hù)后的拱頂周圍出現(xiàn)了沉降最大值，位置集中在掌子面后方4.5～6.0 m范圍內(nèi)，隧道上方圍巖沉降范圍較大，距離拱頂越遠(yuǎn)圍巖沉降值越小；隧道下半部分周圍圍巖變形較小，仰拱隆起最大值約為0.632 mm，幾乎沒有隆起現(xiàn)象，這是由于隧道穿越上軟下硬復(fù)合地層的原因。

圖6 不同掘進(jìn)長(zhǎng)度圍巖豎向位移分布云圖

隨著盾構(gòu)的繼續(xù)推進(jìn)，刀盤通過監(jiān)測(cè)斷面之前，仰拱和拱頂幾乎沒有位移變化，刀盤通過監(jiān)測(cè)斷面之后，監(jiān)測(cè)斷面拱頂沉降在不斷增大，在刀盤掘進(jìn)至監(jiān)測(cè)斷面后方13.5 m左右時(shí)，監(jiān)測(cè)斷面拱頂沉降值開始達(dá)到最大，為-9.117 mm，即盾構(gòu)開挖對(duì)隧道拱頂和仰拱豎向位移的影響區(qū)域大致在2D左右，如圖7所示。

圖7 監(jiān)測(cè)斷面仰拱和拱頂豎向位移

3.3 圍巖剪切滑移區(qū)分布規(guī)律分析

剪切滑移是圍巖失穩(wěn)、發(fā)生破壞前存在的共有形態(tài)，即誘發(fā)圍巖發(fā)生漸進(jìn)性破壞的主要原因。根據(jù)張志強(qiáng)[8]對(duì)于隧道穿越節(jié)理巖體的圍巖穩(wěn)定性分析，采用剪切滑移區(qū)作為圍巖穩(wěn)定性的判定指標(biāo)。進(jìn)行隧道開挖數(shù)值模擬之后，得到圍巖剪切滑移區(qū)如圖8所示。

一般來(lái)說(shuō)，節(jié)理剪切滑移存在一個(gè)限值[9]，當(dāng)巖層間節(jié)理滑移值超過這個(gè)限值時(shí)，區(qū)域圍巖將會(huì)發(fā)生松動(dòng)，因此可根據(jù)圍巖節(jié)理滑移限值來(lái)作為安全性判釋標(biāo)準(zhǔn)。從圖8可以看出，剪切滑移區(qū)分布集中在隧道拱肩和拱頂區(qū)域，呈“帽子型”。其中拱頂部位剪切滑移深度較大，相對(duì)其它部位偏于不安全。5 mm剪切滑移區(qū)分布深度約為拱頂上方1.5～1.7 m。

圖8 剪切滑移區(qū)分布規(guī)律圖

3.4 管片應(yīng)力分析

由圖9可知，掘進(jìn)過程中管片所受最大拉應(yīng)力在2～4 MPa左右，最大壓應(yīng)力在16～18 MPa左右，均小于《混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范》C50混凝土的最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力設(shè)計(jì)值，結(jié)構(gòu)安全。管片受壓區(qū)域主要集中在管片環(huán)上半部分，這是由于隧道穿越上軟下硬地層時(shí)下部地層變形較小的原因。

4 結(jié)論

本文選取董任站～集美中心站盾構(gòu)區(qū)間典型上軟下硬復(fù)合地層建立數(shù)值計(jì)算模型，通過對(duì)地表沉降規(guī)律、圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)受力及穩(wěn)定性分析，對(duì)盾構(gòu)開挖安全性進(jìn)行了研究。

(1)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)表明，采用數(shù)值模擬分析實(shí)際地層情況是合理的。在上軟下硬復(fù)合地層中盾構(gòu)開挖引起的地表沉降有明顯的沉降槽現(xiàn)象，隧道穿越節(jié)理地層并不影響地表沉降的正態(tài)分布規(guī)律，監(jiān)測(cè)斷面最大地表隆起值和沉降值分別為1.618 mm和5.178 mm，滿足安全的需要。

(2)在上軟下硬復(fù)合地層中，隨著盾構(gòu)的繼續(xù)推進(jìn)，在刀盤通過監(jiān)測(cè)斷面之前，圍巖豎向位移值很小，可以忽略不計(jì)。拱頂沉降在刀盤通過監(jiān)測(cè)面之后，距離監(jiān)測(cè)面2D的時(shí)候達(dá)到最大值-9.117mm，而由于隧道下半部分穿越硬巖地層，故仰拱幾乎沒有隆起。

圖9 不同掘進(jìn)長(zhǎng)度管片主應(yīng)力分布云圖

(3)在上軟下硬復(fù)合地層盾構(gòu)開挖過程中，剪切滑移區(qū)主要集中分布在隧道的拱肩和拱頂區(qū)域，可根據(jù)圍巖節(jié)理滑移限值來(lái)選取剪切滑移區(qū)分布規(guī)律圖作為安全性判斷標(biāo)準(zhǔn)。

(4)在上軟下硬復(fù)合地層盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，管片以受壓為主，且由于下部地層巖性強(qiáng)于上部地層，管片環(huán)下半部分受壓比上半部分略小，管片所受的最大拉應(yīng)力值在2～4 MPa左右，最大壓應(yīng)力值在16～18 MPa左右，均小于《混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范》C50混凝土的拉壓應(yīng)力設(shè)計(jì)值，結(jié)構(gòu)安全。

[1]張 恒，陳壽根，鄧稀肥.盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)對(duì)地表沉降的影響分析[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2010(5): 48-53

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Analysis of the Ground Settlement and the Stress of the Support and Supporting Lining of a Shield-Drilled Tunnel in Composite Stratum

WANG Shuanglong

(The 6th Engineering Co. Ltd. of the 17th Bureau Group of China Railway,Fuzhou 350014,China)

With the composite stratum of the sea island as the typical representative of the composite strata,when a shield is drilling through a joint-well-developed stratum of fully-weathered granite gneiss,it is extremely difficult to control the ground surface and the deformation of the stratum,in which case the security of construction is one of the most important problems that have to be focused on and solved.With the shield-drilled section of the tunnel of Line One of the Xiamen Metro between the Dongren Station and the Jimei Central Station as the engineering background, the shield's drilling through a typical joint-well-developed composite stratum is numerically simulated in the paper,with the laws of the ground settlement and the features of the mechanical behavior of the supporting structure in the course of a shield drilling through the composite stratum made clear,upon the basis of which the shield-drilling construction is guided in time and the security of the construction is ensured.

composite stratum;shield-aided method；ground settlement；joint

2016-07-15

國(guó)家自然科學(xué)基金(51278427)；國(guó)家自然科學(xué)基金(51678503)

王雙龍(1979—)，男，高級(jí)工程師，主要從事隧道工程方面的研究工作。2970902613@qq.com

10.13219/j.gjgyat.2016.06.014

U452.12

B

1672-3953(2016)06-0053-05